电机控制器IGBT模块水冷散热设计

引言

随着环境压力的剧增,加上节能减排的发展需求,开发以纯电动汽车为代表的新能源汽车已是大势所趋。电动汽车电机控制器具有体积小、集成度高、热流密度大等特点,其主要器件IGBT模块的损耗产生的热流密度大多已超过10w/cm2,转化为热量的损耗若没有及时被散热器带走,积累的热量将会使控制器的温度达到100℃以上,这会导致其加速损坏。因此,需要选择散热效率高的水冷散热方式来满足控制器中IGBT的散热需求。

本文以电机控制器中IGBT模块水冷散热回路为研究对象,应用有限元仿真软件对散热翅片尺寸、数量、冷却水流量对散热性能的影响进行了仿真模拟,总结了各主要参数对散热性能的影响规律,其结论可以为电机控制器IGBT模块水冷散热器的优化设计提供参考。

1水冷散热结构

电机控制器稳定运行时,IGBT器件的损耗占机箱内发热器件总功耗的90%以上,IGBT模块的散热效率直接影响了电机控制器整体的散热效果。如图l所示,控制器箱体外部底面的水冷回路的位置在安装于箱体内部底面的IGBT模块下方,IGBT的热损耗通过其安装凸台传导至水冷回路中的散热翅片,并通过进、出水管的冷却水循环对其进行散热。

2传热与流阻分析

2.1冷却水传热分析

从传热机理方面分析,IGBT模块内部芯片产生的热量通过安装凸台传导至水冷回路中的散热翅片,流道内的冷却水通过与散热翅片进行热交换,从而将热量带走。这其中共进行了热传导、热对流两个传热过程。

热传导是热量从温度较高的IGBT芯片传至温度较低的散热翅片的过程,其基本定律可用傅里叶定律描述:

式中,负号表示热量向低温处传递:0为热传导热流量:入为材料的导热系数:A为垂直于导热方向的截面积:dl/dx为温度l在x方向的变化率。

热对流是指循环流动的冷却水与散热翅片壁面接触时发生的热交换过程,其基本定律为牛顿冷却公式:

式中,0为对流换热量:h为对流换热系数:A为有效对流换热面积:Al为固体表面与冷却液之间的温差。

2.2冷却水流阻分析

流阻是冷却水流经散热翅片产生的压力损失,是评价水冷散热器性能的指标之一。冷却水流经散热回路的水头损失即为散热回路的流阻,其流动满足不可压缩粘性流体一元流动的伯努利方程。水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失,计算公式为:

式中,hf为沿程水头损失:hj为局部水头损失:入为沿程压力损失系数:,为流道内水的平均流速:1为流道长度:d为管道直径:E为局部压力损失系数。

3流道翅片结构设计

由水冷散热回路的传热分析与流阻分析可知,散热翅片与冷却水的传热面积与温差越大,传热效率越高:同时,流道越长,水流速度越快,换热就越充分,而水冷散热系统的流阻则会越大:即水冷散热器的热阻与流阻性能呈反向变化。水冷散热器的流道散热翅片结构如图2所示,影响水冷散热器性能的参数主要包括翅片尺寸w×L、翅片数量N、进水流量0。通过调整翅片结构、进水量,可使散热系统的热阻与流阻达到最优状态,以获得最佳散热效果。

4水冷散热数值模拟

4.1几何模型简化

根据水冷散热系统的三维模型,对其进行简化。简化对传热影响较小的几何特征,如螺纹孔、倒圆角、螺钉螺母、密封圈等:将每只IGBT模块的几何模型简化为传热基板、IGBT芯片热源、FRD芯片热源、器件封装外壳:将计算模拟区域包含为IGBT模块、箱体及水冷回路内部流动的冷却水。

4.2边界条件设置

根据工程应用中的工况,将环境温度设置为55℃,冷却液采用纯水,进水温度设置为60℃。通过IGBT模块的工作参数,计算得到一个单元的IGBT损耗为106w,FRD损耗为68w。设置最大迭代步数为300步。

4.3数值模拟结果与分析

4.3.1散热翅片数量对散热的影响

设置翅片宽度w为4mm,翅片间x方向的间距为6mm,翅片间y方向的间距为2mm,在冷却水流量Q=9L/min时,对翅片数量分别为36、72、108的情况进行仿真模拟。使用Icepak软件对水冷散热系统进行模拟仿真,散热仿真模拟结果如表1所示。当散热翅片数量为36时,水冷散热机箱整体温度分布云图如图3所示,冷却水在水冷回路中的压力分布云图如图4所示。

通过表1数值模拟结果可知,散热翅片数量越多,流固接触面积越大,在流量相同的条件下,冷却水压降增大、流速增加,增强了散热效果。但散热翅片数量也不宜过多,过多的翅针一方面会使散热系统的压降AP增大,降低水冷系统效率；另一方面也会增加加工工艺难度。

4.3.2散热翅片宽度对散热的影响

设置翅片数量为108,翅片长度为23mm,翅片间y方向的间距为2mm,在冷却水流量Q=9L/min时,对不同宽度的翅片冷却系统进行仿真模拟。散热仿真结果如表2所示。

通过表2数值模拟结果可知,随着散热翅片宽度增大,IGBT结温降低,同时,冷却水压降增大、流速增加。在散热翅片宽度为8mm时,冷却水压降显著增大,同时使冷却循环水泵能耗随之上升,综合IGBT结温与冷却水压降数值,散热翅片的最优宽度选择为6mm。

4.3.3冷却水流量对散热的影响

由上述对不同尺寸的翅片仿真模拟结果分析可知,当翅片数量为108,翅片尺寸为23mm×6mm,翅片间x方向的间距为4mm,翅片间y方向的间距为2mm时,水冷散热系统具有更好的散热效果。

在上述参数下,对不同冷却水进水流量下的热源温度模拟仿真结果如图5所示。

由IGBT结温与流量关系曲线可知,随着冷却水进水流量的增加,IGBT结温逐渐降低,但降低的幅度呈减小趋势:由冷却水压降与流量关系曲线可知,随着冷却水进水流量的增加,压降呈增大趋势,且增长幅度呈增大趋势。综合分析可见,冷却水流量过大,会降低水冷散热系统的冷却效率。因此,在满足散热器压降条件下,散热器进水流量为16L/min时,水冷散热系统具有更好的散热性能。当冷却水流量为16L/min时,水冷散热机箱整体温度分布云图如图6所示,冷却水在水冷回路中的压力分布云图如图7所示。

5结语

本文通过对电机控制器水冷散热的传热与流阻分析,从影响散热性能的翅片尺寸、翅片数量、冷却水流量三个因素入手,利用散热仿真软件对IGBT散热结温与冷却水压降进行了仿真模拟,总结了不同翅片参数与流量对散热性能的影响规律,并得到了电机控制器IGBT水冷散热系统的最佳散热效果。在工程应用中,同时还需结合加工工艺、成本、重量等因素综合考虑,以获得散热效果与经济效益。